微重力下变内角毛细驱动流研究

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．21(2014)214704微重力下变内角毛细驱动流研究冰李永强十刘玲(东北大学理学院应用力学研究所，沈阳110819)(2014年3月2日收到；2014年7月3日收到修改稿)本文研究了在满足Concus—Finn条件时，微重力环境下内角沿容器轴线变化时的毛细驱动流问题，建立了变内角的毛细流动控制方程，获得了变内角流动的近似解析解，并与FLOW-3D软件的数值模拟结果进行了对比验证．计算结果表明，随着时间的增大，近似解析解与数值解的相对误差越来越小，在6s以后，相对误差不超过5％．论

2、文研究了不同结构参数对内角毛细流动的影响规律，得出液体前缘位置和液面高度均随内角、接触角、内角斜率和内角幂指数的增大而减小的结论．在不同时刻，液体的液面高度随着时间的增大而增大，但在初始时刻存在一个常高度，该高度不随时间的变化而变化．在空间流体管理时，可以根据本文的工作进行容器设计和选择适合的溶液．关键词：变内角，毛细驱动流，近似解析解，前缘位置PACS：47．35．Pq，47．11．-jDOI：10．7498laps．63．2147041991年，Geofrey等【4J用解析方法研究了容器1引言横截面为三角形的内角毛细流动，研究结果表

3、明三个内角的弯月面曲率半径是一样的，这个结论为后载人航天技术的发展和空间探索计划的需求续研究者提供了重要参考依据．1995年Dong等【J带动了微重力科学的蓬勃发展，其中微重力流体科用理论分析和实验的方法研究了边长为0．3—0．5学是重要的科学分支，它不仅推动了流体力学新的mm的方形微管中的毛细流动问题以流动液面的学科体系的发展，同时也在载人航天工程中有重大截面面积为变量，通过有限元方法求解热传导方应用[1-31．程，得到了内角流动的二次解，但由于曲率半径计微重力环境下重力水平极低甚至达到可以忽算的限制，该方法不能应用于复杂几何形状．魏

4、月略的地步，界面张力成了主导流体行为的因素，流兴等【6】推广了Dong的方法，通过修正曲率半径的体行为与界面或容器的形状密切相关，而内角是影计算，寻找截面与曲率半径的关系，使其可以应用响界面或容器形状的重要因素．在微重力环境下，于不同接触角、不同二面角的情形，并修正了最小液体会沿容器的内角流动，进行重新的分布(相对二乘有限元方法的问题，获得了内角流动的二次于在地面上)，这种流动就称作微重力环境下内角解，同时进行了毛细管和落塔实验验证．1996年，处的毛细流动．目前，毛细流动问题受到了广泛研Weislogel等【7】考虑了液体惯性力的影响

5、，用理论究，因为在微重力环境下内角相当于为液体提供了分析结合短时微重力落塔实验的方法研究了横截流动的管道，并且这种流动是自发的，所以这种内面为正多边形棱柱容器的毛细流动．建立了内角角结构在航天工程中经常被用来进行流体管理．比处毛细流动的Navier—Stokes方程，根据渐近法得如燃料储箱中蓄液池以及导流板的应用，都是依据到了控制方程，对无限长毛细流动用摄动法进行这种内角处的毛细流动原理．了求解．研究给出的黏性阶段毛细流动的数值解中国科学院国家微重力实验室开放课题．十通讯作者．E-mail：yqli@mail．neu．edu．an@20

6、14中国物理学会ChinesePhysicalSocietyt：／／wulixb．hy．ac．clrt214704—1物理学报ActaPlays．Sin．Vo1．63，No．21(2014)214704与实验结果基本符合．Weislogel与Dreyer等【8J于算．李永强等【17，】应用同伦分析法研究微重力环2004-2009年期间在国际空间站上进行了16项有境下圆管和无限长柱体内角毛细流动问题的解析关毛细流动的实验，这些实验验证了Weislogel与近似解问题并给出了级数解的表达公式．Dreyer分别率领的研究小组所做的理论工作．H

7、u片等f9，10]利用落塔实验研究了在满足、接近、不满足ConcUS—Finn条件三种情况下，液体初始体积对内角处毛细流动的影响，得到了各条件下毛细爬升高度随微重力时间变化的曲线，发现在一定微重力时间内液体在内角处爬升的高度随液体初始体积的增大而增大的现象．内上述关于内角毛细流动的研究都是针对内角是尖角并且角度值大小不变的情况下即V字形结图1叶片式表面张力贮箱结构示意图构进行的，但在实际应用中由于制造和加工的原目前关于内角毛细流动的研究都是针对内角因，尖角很难实现，内角几乎都带有一定的过渡圆沿容器轴线不变的情况下进行的，但是在工程实角．

8、1990年，Concus和Finn[11】研究发现随着圆形际中内角的角度有时随容器的轴线是变化的，例内角半径的增加将使Concus—Finn条件所预测的如图1所示的叶片式表面张力贮箱，内外侧叶片临界接触角逐